Även om DNA ofta idealiseras som "livets molekyl, " det är också en mycket sofistikerad polymer som kan användas för nästa generations material. Utöver det faktum att den kan lagra information, ytterligare fascinerande aspekter av DNA är dess geometriska och topologiska egenskaper, såsom knutning och super-coiling. Verkligen, mycket som en tvinnad telefonsladd, DNA finns ofta upprullat inuti bakterier och andra celler och till och med hopknuten i virus. Nu, ett samarbete mellan forskare från Edinburghs universitet, San Diego och Wien har börjat utnyttja dessa egenskaper för att skapa "topologiskt avstämbara" DNA-baserade komplexa vätskor och mjuka material med potentiella tillämpningar inom läkemedelstillförsel och vävnadsregenerering som publicerats i Vetenskapens framsteg .

Den välkända dubbel spiralformade DNA:n har djupgående konsekvenser för dess beteende. En linjär DNA-molekyl, det är en DNA -molekyl med två ändar, kan fritt vrida och vända. Däremot sammanfogning av de två ändarna för att bilda en DNA-cirkel innebär att varje över eller under vridning av dubbelhelixen förblir "topologiskt låst, "dvs. den extra vridningen kan inte tas bort utan att skära av molekylen. Över eller under vändningar har intressanta konsekvenser för hur DNA -molekyler ordnar sig i rymden - i synnerhet de spolar och spänner på sig själva ungefär som en gammal telefonsladd i så kallade supercoiled -konformationer (fig. 1). Knäckningen av DNA lindrar stress från över/undervridning, och därigenom minskar den totala storleken på molekylen. Av denna anledning tror man att supercoiling är en naturlig mekanism som används av celler för att paketera deras genom i små utrymmen. Medan den mindre storleken naturligt leder till snabbare diffusion av DNA-molekyler i lösning t.ex. i vatten eller genom gelporer, på grund av det lägre luftmotståndet, detta välförstådda beteende uppstår inte när många DNA-molekyler är packade och intrasslade som spagetti i en skål.

"Vi har utfört storskaliga datorsimuleringar av täta lösningar av DNA-molekyler med olika grad av supercoiling och hittat flera överraskande resultat, " förklarar Jan Smrek från universitetet i Wien, den första författaren till studien. "I motsats till det utspädda fallet, ju mer superlindade DNA-ringarna, desto större storlek." Eftersom molekylerna måste undvika varandra, deras former antar starkt asymmetriska och grenade konformationer som upptar mer volym än deras icke-superrullade motsvarigheter. Spännande nog, och mot förväntningarna, "de större DNA -molekylerna ger fortfarande snabbare diffusion." Den snabbare diffusionen gör att lösningen har lägre viskositet.

Supercoiled DNA-molekyler som förekommer naturligt i bakterier är kända som plasmider. In vivo, celler har speciella proteiner som kallas topoisomeras som kan minska mängden supercoiling i plasmider. "Tack vare dessa proteiner - som kan renas och användas i labbet - kan vi kontrollera omfattningen av supercoiling i intrasslade DNA-plasmider och studera deras dynamik med hjälp av fluorescerande färgämnen. Vi blev förvånade över att upptäcka att, verkligen, DNA-plasmider som behandlats med topoisomeras, och därmed med låg supercoiling, är långsammare än sina starkt upprullade motsvarigheter, " förklarar Rae Robertson Anderson, som ledde experimenten vid University of San Diego.

För att förklara den överraskande snabbare dynamiken använde forskarna storskaliga simuleringar på superdatorer för att kvantifiera hur intrasslade molekylerna i lösningar är. Även om det är känt att en ringformad polymer - snarare lik en cirkulär DNA-plasmid - kan träs av en annan ring, vilket betyder att den senare kan tränga igenom ögat på den förra, det var inte känt hur denna typ av intrassling påverkar rörelsen av superspiral DNA. Tack vare simuleringarna, forskarna fann att en hög grad av supercoiling minskar det genomträngliga området för varje molekyl, vilket resulterar, i tur och ordning, i färre gängor mellan plasmiderna och slutligen ge en lösning med lägre viskositet. Ändå, plasmiderna kunde fortfarande vira runt varandra och begränsa varandras rörelser utan att trängas. Än, supercoilingen stelnar konformationerna och gör dem därmed mindre benägna att böja och sammanflätas tätt, vilket också minskar denna typ av förveckling.

Davide Michieletto från University of Edinburgh säger, "Vi hittade inte bara dessa nya effekter i simuleringar, men vi demonstrerade också dessa trender experimentellt och utvecklade en teori som beskriver dem kvantitativt. Genom att ändra superspiralen kan vi justera viskositeten för dessa komplexa vätskor efter behag. Vi förstår nu mycket bättre sambandet mellan molekylernas adaptiva geometri och de resulterande materialegenskaperna. Detta är inte bara spännande ur ett grundläggande perspektiv, men lovar också användbara applikationer. Använda dedikerade enzymer, såsom topoisomeras, man kan designa omkopplingsbara DNA-baserade mjuka material med avstämbara egenskaper. "